(57)【要約】      （修正有）【課題】電気絶縁性を有し、熱伝導率の高いヒートシンクを安価に提供する。【解決手段】単結晶ＳｉＣからなる基板上に電気絶縁膜を形成することにより、前記基板のマイクロパイプを閉塞し、表面を平坦にして、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上の電子部品の放熱のためのヒートシンク素材を得る。前記基板の主面が（０００１）面から１０度以上離れた面とし、この面上に導電膜を形成して、この膜に半導体レーザ等の放熱すべき電子部品をロウ接合する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の放熱のために装着するヒートシンクであって、単結晶ＳｉＣからなる基板と、該基板上に電気絶縁膜とを有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記基板のマイクロパイプが、基板上の前記電気絶縁膜により閉塞され、表面が平坦である請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記基板の主面が、（０００１）面から±１０度以内の面である請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記電気絶縁膜上に、Ｃｒ、ＮｉおよびＴｉからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の導電膜を有する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記基板のマイクロパイプが、基板上の前記電気絶縁膜と導電膜により閉塞され、表面が平坦である請求項４に記載のヒートシンク。
【請求項６】
電子部品の放熱のために装着するヒートシンクであって、単結晶ＳｉＣからなる基板を有し、該基板の主面が、（０００１）面から１０度以上離れた面であることを特徴とするヒートシンク。
【請求項７】
前記基板上に電気絶縁膜を有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上である請求項６に記載のヒートシンク。
【請求項８】
前記電気絶縁膜上に、Ｃｒ、ＮｉおよびＴｉからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の導電膜を有する請求項７に記載のヒートシンク。
【請求項９】
前記電気絶縁膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮおよびＡｌ２Ｏ３からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成を有する請求項１または７に記載のヒートシンク。
【請求項１０】
前記基板の主面のうち片面上に電気絶縁膜を有し、前記基板の主面のうち他の面はＳｉＣが露出していることを特徴とする請求項１または７に記載のヒートシンク。
【請求項１１】
電子部品の放熱のために装着し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であるヒートシンクの製造方法であって、単結晶ＳｉＣからなる基板上に電気絶縁膜を形成する工程を備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項１２】
前記電気絶縁膜が、単結晶ＳｉＣからなる基板の熱酸化または電解酸化により形成されたＳｉＯ２膜である請求項１１に記載のヒートシンクの製造方法。
【請求項１３】
前記電気絶縁膜が、単結晶ＳｉＣからなる基板の窒化により形成されたＳｉＮ膜である請求項１１に記載のヒートシンクの製造方法。
【請求項１４】
単結晶ＳｉＣからなる基板と、該基板上に電気絶縁膜とを有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であることを特徴とするヒートシンクを備えるレーザであって、ジャンクションダウン方式の接合を形成してなるレーザである半導体装置。
【請求項１５】
単結晶ＳｉＣからなる基板と、該基板上に電気絶縁膜とを有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であることを特徴とするヒートシンクを備える電力コントロール用半導体装置。
【請求項１６】
前記基板の主面のうち片面上に電気絶縁膜を有し、前記基板の主面のうち他の面はＳｉＣが露出していることを特徴とするヒートシンクを備える半導体装置であって、前記基板の主面のうちＳｉＣが露出している面と半導体素子とが接合してなる請求項１４または１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
単結晶ＳｉＣからなる基板と、該基板上に電気絶縁膜とを有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であることを特徴とするヒートシンクを備え、フリップチップ型のマウントを形成し、絶縁を形成してなる電界効果型半導体装置。
【請求項１８】
前記基板の主面のうち片面上に電気絶縁膜を有し、前記基板の主面のうち他の面はＳｉＣが露出していることを特徴とするヒートシンクを備える半導体装置であって、前記基板の主面の片面に形成された電気絶縁膜上にフリップチップ型のマウントを形成してなる請求項１７に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁性を有し、熱伝導率の高いヒートシンク、その製造方法およびかかるヒートシンクを備える半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ、電力コントロール用半導体装置または電界効果型半導体装置などでは、半導体素子の発熱により、半導体の素子機能が低下するのを避けるために、放熱体であるヒートシンクを用いる。ヒートシンクは、半導体素子より大きな熱容量を持ち、半導体素子に装着して、半導体素子の熱を熱伝導の作用により除去する。
【０００３】
代表的なヒートシンクには、たとえば、アルミナ基板の表面に、同時焼成などにより厚膜メタライズしたものを絶縁放熱板とし、ＣｕまたはＡｌなどの金属からなるヒートシンクを、この絶縁放熱板上にハンダ付けした後、半導体素子を搭載する面に、銅製のヒートスプレッダをハンダ付けしたものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
また、半導体素子とヒートシンクとの熱膨張係数の差が、半導体素子に歪みをもたらし、半導体素子に対し電気特性の変化または信頼性の低下などの悪影響を与える場合がある。このような場合には、ヒートシンク上に、半導体素子を構成する材料と比較的熱膨張係数が近い材料からなるサブマウントを配置し、その上にハンダ材料を介して半導体素子を搭載し固着する方法がある。
【０００５】
サブマウント材料としては、たとえば、ＣｕＷなどが用いられているが、近年、半導体素子の小型化、高集積化および大容量化が進み、半導体素子の単位面積当たりの発熱量が増加し、ＣｕＷなどからなるサブマウントでは、熱により誘発される半導体素子の歪みを十分に抑制することが困難となっている。かかる問題を解消するため、サブマウント材料として、熱膨張係数が小さいＳｉＣを用いる技術が紹介されている（特許文献２参照）。
【０００６】
ＳｉＣ単結晶の熱伝導率は、４９０Ｗ／ｍＫであり、金属、セラミックスなどのほとんどの材料の熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ程度であるから、ＳｉＣ単結晶は優れた熱伝導率を有している。熱伝導率が４９０Ｗ／ｍＫを凌ぐ材料としては、ダイヤモンドまたはダイヤモンド構造のｃ−ＢＮ程度しかない。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−３０９６８８号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００３−７８０８４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多くの半導体装置において、ヒートシンクには電気絶縁性が要求されるが、単結晶ＳｉＣは、窒素が添加されたｎ型半導体材料が一般的であって、導電性がある。これは、単結晶ＳｉＣの成長温度が２０００℃以上という高温であり、炉材から揮発する不純物を抑えることが難しく、窒素がＳｉＣに混入してしまうためである。一方、炉材を高純度化し、結晶成長に際して窒素が混入していないＳｉＣ、すなわち、絶縁性ＳｉＣを作成することは理論的には可能であるが、非常に高価な基板となるため、実用的ではない。
【００１０】
また、単結晶ＳｉＣ基板は、（０００１）面を主面とする基板が一般的であるが、（０００１）面にはマイクロパイプと呼ばれる直径１０〜２０μｍの貫通孔が多数存在している。このため、半導体素子との接合面積が減少して熱の伝導効率が低下し、さらに貫通孔内に電極材料が入り、良好な電気絶縁性を確保できないという問題がある。
【００１１】
本発明の課題は、電気絶縁性を有し、熱伝導率の高いヒートシンクを安価に提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒートシンクは、電子部品の放熱のために装着し、単結晶ＳｉＣからなる基板と、基板上に電気絶縁膜とを有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であることを特徴とする。また、本発明のヒートシンクの他の態様は、単結晶ＳｉＣからなる基板を有し、基板の主面が、（０００１）面から１０度以上離れた面であることを特徴とし、かかるヒートシンクは、基板上に電気絶縁膜を有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であるものが好ましい。電気絶縁膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮおよびＡｌ２Ｏ３からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成を有するものが好ましい。
【００１３】
基板の主面には結晶学的に任意の面を使用することができるが、（０００１）面、または（０００１）面に直交する面が好ましく、中でも（０００１）面に直交する面がより好ましい。これは、（０００１）面においては、面内方向で物性に異方性がなく、方向を意識する必要がないためであり、（０００１）面に直交する面においては、マイクロパイプが存在せず、素子との密着性が向上するためである。また、（０００１）面から±１０度以内の面を基板の主面とする場合には、基板の主面に存在するマイクロパイプを電気絶縁膜または導電膜により閉塞し、表面が平坦なヒートシンクが好ましい。
【００１４】
さらに、レーザまたは電力コントロール用半導体装置などにおいては、発熱体である半導体素子との接合面には、熱伝導度の低い酸化膜または窒化膜などの電気絶縁膜を形成せず、ＳｉＣ基板の主面のうち、半導体素子と接合する面の反対面にのみ電気絶縁膜を形成し、半導体素子およびヒートシンクを、ヒートシンクをマウントするベースから絶縁する態様が好ましい。
【００１５】
本発明の製造方法は、電子部品の放熱のために装着し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であるヒートシンクの製造方法であって、単結晶ＳｉＣからなる基板上に電気絶縁膜を形成する工程を備えることを特徴とする。また、本発明のヒートシンクは、ジャンクションダウン方式の接合を形成してなる半導体レーザ、電力コントロール用半導体装置、またはフリップチップ型のマウントを形成し、絶縁を形成してなる電界効果型半導体装置用のヒートシンクとして好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（ヒートシンク）
本発明のヒートシンクは、単結晶ＳｉＣからなる基板と、基板上に電気絶縁膜とを有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であることを特徴とする。単結晶ＳｉＣは、熱伝導率は高いが、製造に際して、炉、炉材、原料およびガスの純度に特別の処置を施さない限り、窒素ガスを導入しなくても、窒素によりドーピングされている。このため、通常の条件で製造した単結晶ＳｉＣの電気抵抗率は１×１００〜１×１０−２Ωｃｍであり、微電流が流れて絶縁性を示さない。しかし、本発明によれば、通常の条件で製造し、絶縁性を示さない単結晶ＳｉＣからなる基板を使用して、電気絶縁性を有し、熱伝導率の高い、優れたヒートシンクを安価に提供することができる。
【００１７】
本発明のヒートシンクは、電気絶縁膜の種類および厚さなどにより異なるが、一般的には、熱伝導率が、３４０Ｗ／ｍＫ以上のものが好ましく、４００Ｗ／ｍＫ以上のものがより好ましく、４８０Ｗ／ｍＫ以上のものが特に好ましい。また、本発明のヒートシンクの電気絶縁性は、絶縁破壊強さ（破壊電圧）で、２×１０Ｖ以上であり、１×１０２Ｖ以上のものが好ましく、２×１０３Ｖ以上のものがより好ましい。本明細書では、熱伝導率は、ＪＩＳ−Ｒ１６１１に基づき測定し、絶縁破壊強さは、ＪＩＳ−Ｋ６９１１に基づき測定する。
【００１８】
電気絶縁膜は、単結晶ＳｉＣの高い熱伝導率を維持し、熱的に安定なヒートシンクとし、また、絶縁破壊強さを高めて、静電破壊および短絡を防止する点から、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３またはこれらの混合物からなる膜が好ましく、ＳｉＯ２からなる膜が特に好ましい。電気絶縁膜の厚さは、薄過ぎると十分な電気絶縁性を確保できないため、０．５ｎｍ以上が好ましく、５ｎｍ以上がより好ましい。また、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３などの材料は、熱伝導率が低いため、電気絶縁膜が厚すぎると、ヒートシンクの熱伝導率が低下する。したがって、電気絶縁膜の厚さは、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。
【００１９】
電気絶縁膜上に、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉまたはこれらの合金からなる導電膜を有するヒートシンクが好ましい。これらの導電膜は、電極として利用することができるが、Ａｕなどからなる導電膜は、容易に剥がれ落ちるのに対して、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉまたはこれらの合金からなる導電膜は、熱酸化膜などからなる電気絶縁膜に強固に接合され、熱処理などを要しない点で有利である。
【００２０】
ＳｉＣ基板のマイクロパイプが、基板上の電気絶縁膜により閉塞され、表面が平坦であるヒートシンクが、素子との密着性を高め、良好な接合を確保できる点で好ましい。単結晶ＳｉＣ基板には、内径１０〜２０μｍ程度のマイクロパイプが頻繁に見られるが、電気絶縁膜によりマイクロパイプを閉塞し、表面に自由成長した電気絶縁膜の起伏を研磨することにより、表面の平坦なヒートシンクを得ることができる。電気絶縁膜の種類、厚さおよび基板の面方位などにより異なるが、一般的には、ヒートシンクの表面粗さは、二乗平均粗さで０．１μｍ以下が好ましく、０．０１μｍ以下がより好ましい。
【００２１】
ＳｉＣ基板の面方位および電気絶縁膜の種類などにより異なるが、一般的には、電気絶縁膜を厚さ５μｍ程度以上形成することにより、ＳｉＣ基板のマイクロパイプを電気絶縁膜により閉塞することができる。また、上述のように、電気絶縁膜上に導電膜を形成するときは、同様にして、ＳｉＣ基板のマイクロパイプが、基板上の電気絶縁膜と導電膜により閉塞され、表面が平坦である態様が好ましく、一般的には、電気絶縁膜と導電膜とを合計で厚さ１０μｍ程度以上形成することにより、ＳｉＣ基板のマイクロパイプを閉塞することができる。
【００２２】
しかしながら、１０μｍ以上の厚さの電気絶縁膜を形成すると、電気絶縁膜は熱伝導率が低いため、ヒートシンクの熱伝導率の低下が無視できなくなる。このため、１０μｍ以上の厚さの電気絶縁膜を形成した後に、機械研磨またはＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）などを行なって、電気絶縁膜の厚さを３μｍ以下にすると、マイクロパイプを閉塞したまま、熱伝導率の高い電気絶縁膜を得ることができる。
【００２３】
電気絶縁膜などが形成される面である基板の主面の結晶学的方位については、任意の面を使用することができるが、基板の主面が（０００１）面であるときは、熱膨張率および熱伝導率などの物性値の面方向での異方性がなくなるため、基板の方向を意識する必要がなくなる。このような点から、基板の主面は（０００１）面から±１０度以内が好ましく、±５度以下がより好ましく、±３度以下が特に好ましい。
【００２４】
一方、基板のマイクロパイプの長さ方向は、（０００１）面に直交すると考えられ、基板の主面が（０００１）面から１０度以上離れると、マイクロパイプの貫通孔が減少し、表面の平坦なヒートシンクを得やすくなる。このような点から、本発明のヒートシンクの別の態様は、単結晶ＳｉＣからなる基板を有し、基板の主面が、（０００１）面から１０度以上離れた面であることを特徴とし、基板の主面は、（０００１）面から６０度以上離れていることが好ましく、８０度以上離れた面を主面とするとより好ましい。また、かかるヒートシンクは、基板上に電気絶縁膜を有し、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上であるものが好ましい。ＳｉＣ基板の表面が平坦であると、基板上に形成する電気絶縁膜の厚さを均一にすることができ、表面が平坦なヒートシンクを得やすく、素子との密着性が高まる結果、容易に強固な接合を得ることができるようになる。
【００２５】
また、表面が平坦なＳｉＣ基板が得られる結果、基板の主面のうち片面上に電気絶縁膜を有し、基板の主面のうち他の面はＳｉＣが露出しているヒートシンクを容易に得ることができるようになる。このようなヒートシンクを使用すると、ヒートシンクと半導体素子の間に熱伝導率の低い電気絶縁膜を有しない半導体装置を製造することができ、熱伝導率が高く、かつ電気絶縁性も高い優れたヒートシンクとして利用することができる。
【００２６】
（ヒートシンクの製造方法）
本発明のヒートシンクの製造方法は、単結晶ＳｉＣからなる基板上に電気絶縁膜を形成する工程を備えることを特徴とする。単結晶ＳｉＣ基板上に、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３などからなる結晶質または非晶質の薄膜を形成することにより、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上という高い電気絶縁性を有し、高い熱伝導率のヒートシンクを安価に製造することができる。
【００２７】
単結晶ＳｉＣ基板上への電気絶縁膜の形成は、物理的蒸着法または化学的蒸着法により行なうことができる。物理的蒸着法としては、真空蒸着法のほか、たとえば、窒素または酸素を導入した反応性スパッタリング法を利用することができる。化学的蒸着法では、シランガスまたはトリメチルアルミニウムを用いて行なうことができる。ＡｌまたはＳｉを蒸着した後、蒸着膜を酸化し、電解酸化膜とする方法でもよい。ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３からなる電気絶縁膜の場合には、ＳｉＣ基板の研磨後の表面粗さを、平均二乗粗さで２０ｎｍ以下に仕上げておくと、上述の製膜方法により、電気絶縁膜の結晶が配向するようになり絶縁破壊強さおよび熱伝導率が向上するので好ましい。
【００２８】
ＳｉＣ単結晶を切り出し、研磨加工を行なうと、０．２ｎｍ程度の自然酸化膜が形成されており、そのまま電極を蒸着しても電気絶縁性を得ることができるが、絶縁破壊強度が１〜２Ｖ程度であり、電気絶縁性を得ることができないこともあり、実用的ではない。そこで、電極形成前に、酸素雰囲気下で、２００℃以上３時間程度の熱酸化を行なうことにより、絶縁破壊強度が５〜１０Ｖとなり、比較的安定した絶縁性を得ることができるようになるので好ましい。
【００２９】
基板を１０００℃以上に加熱して、アンモニアガスまたは窒素プラズマを用いて窒化処理を行ない、ＳｉＮからなる絶縁膜を形成しても、電気絶縁性および熱伝導率が高いヒートシンクを得ることができる点で好ましい。電気絶縁膜が、単結晶ＳｉＣの電解酸化により形成されたＳｉＯ２膜である態様も、電気絶縁性を有し、熱伝導率が高いヒートシンクが得られる点で好ましい。一旦、フッ酸により自然酸化膜を除去した後、その片面に金属電極を形成して陽極とし、白金を陰極として硝酸カリとエチレングリコールを用いて電解酸化（陽極酸化）を行なうと、１０〜１０００ｎｍ程度の電解酸化膜を得ることができる。
【００３０】
電気絶縁膜が、単結晶ＳｉＣからなる基板の熱酸化により形成されたＳｉＯ２膜である態様も、電気絶縁性を有し、熱伝導率の高いヒートシンクが得られる点で好ましい。熱酸化は、たとえば、単結晶ＳｉＣ基板を酸素雰囲気下、１２００℃で１時間処理することにより行なうことができ、２０〜２００ｎｍのＳｉＯ２酸化膜を得ることができる。熱酸化膜は、加熱温度以外に、雰囲気ガス、ガスの撹拌、圧力などの条件により厚さが変化するが、５０〜５００ｎｍ程度の厚さであるときは、酸化膜の成長レートに関わらず、熱伝導率および絶縁破壊強さの安定したヒートシンクが得られるので、好ましい。
【００３１】
（半導体装置）
本発明のヒートシンクは、各種の電子装置に使用することができるが、絶縁破壊強さが２×１０Ｖ以上という高い電気絶縁性を有するとともに高い熱伝導率を有するという特質を生かして、熱を大量に発生する半導体素子を備える半導体装置のヒートシンクとして有用である。たとえば、ジャンクションダウン方式の接合を形成してなる半導体レーザ、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  ｕｎｉｔ）、ユニポーラ型の電極を形成してなる半導体、サイリスタ、ＩＧＢＴもしくはＧＴＲなどの電力コントロール用半導体装置、または、フリップチップ型のマウントを形成し、絶縁を形成してなる電界効果型半導体装置などのヒートシンクとして、本発明のヒートシンクを使用することができる。さらに、本発明のヒートシンクは、サブマウントを介して半導体素子に取り付ける態様においても有効に機能を発揮する。
【００３２】
レーザまたは電力コントロール用半導体装置などにおいては、発熱体である半導体素子との接合面に、熱伝導度の低い酸化膜または窒化膜などの電気絶縁膜を形成すると、熱伝導度が低下する。したがって、ＳｉＣ基板の主面のうち、半導体素子と接合する面は、ＳｉＣを露出させるとともに、その反対面にのみ電気絶縁膜を形成し、半導体素子およびヒートシンクを、ヒートシンクをマウントするベースから絶縁する態様が、電気絶縁性および熱伝導度の高い半導体装置が得られる点で好ましい。
【００３３】
また、フリップチップ型のマウントを形成し、絶縁を形成してなる電界効果型半導体装置などにおいては、基板の主面のうち片面上に電気絶縁膜を有し、基板の主面のうち他の面はＳｉＣが露出しているヒートシンクを用いて、基板の主面の片面上に形成された電気絶縁膜上にフリップチップ型のマウントを形成する態様とすると、ヒートシンクの電気絶縁膜を利用して、容易に電気絶縁性が得られる点で好ましい。
【００３４】
【実施例】
実施例１
本実施例では、単結晶ＳｉＣ基板上に、Ｓｉ３Ｎ４からなる電気絶縁膜を反応性スパッタリング法により形成し、電気絶縁性を有するヒートシンクを製造した。まず、単結晶ＳｉＣを、図１に示すように、種結晶を用いて昇華再結晶を行なう改良レイリー法により作成した。最初に、種結晶として、成長面方位が（０００１）方向である六方晶型の６Ｈ−ＳｉＣ単結晶からなる基板１を用意し、基板１を黒鉛製るつぼの蓋４の内面に取り付けた。また、黒鉛製るつぼ３の内部には、原料２となる高純度の立方晶型ＳｉＣ粉末（ＪＩＳ粒度＃２５０）を充填した。
【００３５】
つぎに、原料２を充填した黒鉛製るつぼ３を、種結晶を取り付けた蓋４で閉じ、黒鉛製の支持棒６により二重石英管５の内部に設置し、黒鉛製るつぼ３の周囲を黒鉛製の熱シールド７で被覆した。雰囲気ガスとして、アルゴンガス（Ａｒ）を、ステンレス製チャンバ１０の枝管９から二重石英管５の内部に流し、Ａｒガスの流量は１リットル／分に設定した。つづいて、ワークコイル８に高周波電流を流し、高周波電流を調節することで、原料２の温度が２３００℃、種結晶である基板１の温度が２２００℃になるように調節した。
【００３６】
つづいて、Ａｒガスの流量を調節するとともに、真空ポンプ１１を用いて二重石英管５の内部を減圧した。減圧は、大気圧から１３Ｐａまで２０分かけて徐々に行ない、１３Ｐａの真空度で５時間保持することにより、厚さ１０ｍｍのＳｉＣ単結晶を得た。得られたＳｉＣ単結晶から、厚さ３ｍｍ、口径５０ｍｍ、結晶面方位は特性の変動を抑えるために（０００１）面を主面とする基板を切り出し、研磨加工を行って平坦面を形成した。平坦面の面精度は、平均二乗粗さで１５ｎｍであり、電気抵抗率は、１×１０−２Ωｃｍであった。
【００３７】
つぎに、窒素を導入した反応性スパッタリング法により、単結晶ＳｉＣ基板の両面に厚さ１００ｎｍのＳｉ３Ｎ４からなる電気絶縁膜を形成し、本発明のヒートシンクを得た。得られたヒートシンクの表面に金を蒸着して、熱伝導率を測定した結果、４８０Ｗ／ｍＫであり、ほぼＳｉＣ単結晶と同じ値を示した。また、絶縁破壊強さを測定した結果、２×１０２Ｖであった。
【００３８】
実施例２
本実施例では、熱酸化によりＳｉＯ２膜を厚く形成した後、さらに研磨加工を行ない、ＳｉＯ２膜の表面を平坦化させたヒートシンクを製造した。まず、実施例１で切り出し、研磨加工を施した単結晶ＳｉＣ基板を、大気雰囲気下、１２００℃にて１時間熱処理し、電気絶縁膜として厚さ１５０ｎｍのＳｉＯ２からなる熱酸化膜を形成し、その上に電極を蒸着した。得られたヒートシンクの熱伝導率は、４８０Ｗ／ｍＫであり、絶縁破壊強さは、３×１０Ｖであった。また、電極（導電膜）材料として金を蒸着すると、大変はがれやすかったが、Ｃｒを蒸着すると、熱酸化膜上で強固に接合されるため、熱処理は必要のないことがわかった。
【００３９】
さらに、１２００℃で１００時間の熱酸化処理をすると、厚さ３μｍのＳｉＯ２酸化膜が形成され、単結晶ＳｉＣ基板のマイクロパイプの多くがＳｉＯ２酸化物によって閉塞した。また、表面には自由成長したＳｉＯ２酸化膜の起伏が見られるため、シリカを用いた研磨を施すと、表面の起伏が減少し、５０％以上のマイクロパイプが閉塞して、二乗平均粗さが０．０５μｍの平坦なヒートシンクが得られた。
【００４０】
実施例３
本実施例では、単結晶ＳｉＣ基板上に電気絶縁膜を有する本発明のヒートシンクを半導体レーザに応用した。半導体レーザにおけるヒートシンクの接合は、半導体素子のｐ型側をヒートシンクに接合するジャンクションダウン方式で行なった。実施例２において、１２００℃で１００時間以上の熱酸化処理を施して製造したヒートシンクを用い、ＳｉＯ２酸化膜上に順にＣｒとＡｕを蒸着したものに、１５０ｍＷの高出力ＧａＡｌＡｓレーザを、Ａｕ−Ｓｎロウで接合した。レーザは０．２ｍｍ角とし、ヒートシンクは１ｍｍ角とし、ｎ極は半導体素子からワイヤでステムに接合し、ｐ極はヒートシンクの表面からワイヤでステムに接合した。３分間のレーザ照射後の半導体素子の温度は４０℃であった。
【００４１】
比較例１
実施例３における、単結晶ＳｉＣ基板上に電気絶縁膜を有する本発明のヒートシンクの代わりに、ＡｌＮの焼結体からなるヒートシンクを用いた以外は実施例３と同様にしてレーザ照射を行なった。３分間のレーザ照射後の半導体素子の温度は６５℃であり、実施例３と比較して、明らかに放熱が不十分であり、その後も蓄熱が進行していった。
【００４２】
実施例４
本実施例では、ＳｉＣ単結晶の（０００１）面と直交する面である（１１−２０）面または（１０−１０）面を基板の主面として、本発明のヒートシンクを製造した。まず、実施例１で得られたＳｉＣ単結晶から、Ｘ線で（１１−２０）面を割り出し、（１１−２０）面を主面とする基板を切り出した。つぎに、基板の表面を研磨して表面を観察すると、マイクロパイプと呼ばれる貫通穴は確認できなかった。この基板について、実施例２と同様にして、自然酸化膜のついた基板を、大気雰囲気下、１２００℃にて１時間熱処理し、厚さ１５０ｎｍのＳｉＯ２からなる熱酸化膜を形成し、ＳｉＯ２酸化膜上に電極を蒸着した。得られたヒートシンクの熱伝導率は、４８０Ｗ／ｍＫであり、絶縁破壊強さは、３×１０Ｖであった。
【００４３】
つづいて、ＳｉＣ単結晶から、（１０−１０）面を主面とする基板を切り出し、基板の表面を研磨して表面を観察すると、同様に、マイクロパイプと呼ばれる貫通穴は確認できなかった。この基板について、（１１−２０）面を主面とした場合と同様に熱酸化し、厚さ１５０ｎｍのＳｉＯ２からなる熱酸化膜を形成し、ＳｉＯ２酸化膜上に電極を蒸着した。得られたヒートシンクの熱伝導率は、４８０Ｗ／ｍＫであり、絶縁破壊強さは、３×１０Ｖであった。
【００４４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、電気絶縁性を有し、熱伝導率の高いヒートシンクを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒートシンク用ＳｉＣ単結晶の製造装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１  基板、２  原料、３  ルツボ、４  蓋、５  石英管、６  支持棒、７  熱シールド、８  ワークコイル、９  枝管、１０  チャンバー、１１  真空ポンプ。
【図１】
2005019595.tif 000002